Summary
Aquí, presentamos un protocolo para la aplicación de parámetros de imagen tensor de difusión para evaluar la compresión de la médula espinal.
Abstract
La compresión crónica de la médula espinal es la causa más frecuente de deterioro de la médula espinal en pacientes con daño medular no traumático. La resonancia magnética convencional (RM) desempeña un papel importante tanto en la confirmación del diagnóstico como en la evaluación del grado de compresión. Sin embargo, el detalle anatómico proporcionado por la resonancia magnética convencional no es suficiente para estimar con precisión el daño neuronal y/o evaluar la posibilidad de recuperación neuronal en pacientes con compresión de la médula espinal crónica. Por el contrario, la imagen de tensor de difusión (DTI) puede proporcionar resultados cuantitativos de acuerdo con la detección de la difusión de moléculas de agua en los tejidos. En el presente estudio, desarrollamos un marco metodológico para ilustrar la aplicación de DTI en la enfermedad de compresión de la médula espinal crónica. La anisotropía fraccional de DTI (FA), los coeficientes de difusión aparente (ADC) y los valores de autovector son útiles para visualizar cambios patológicos microestructurales en la médula espinal. Se observaron disminución de FA y aumentos en los ADC y valores de autovector en pacientes con compresión de la médula espinal crónica en comparación con controles sanos. El DTI podría ayudar a los cirujanos a entender la gravedad de la lesión medular y proporcionar información importante sobre el pronóstico y la recuperación funcional neuronal. En conclusión, este protocolo proporciona una herramienta sensible, detallada y no invasiva para evaluar la compresión de la médula espinal.
Introduction
La compresión crónica de la médula espinal es la causa más común de la médula espinal impairment1. Esta afección puede deberse a la osificación longitudinal posterior del ligamento, hematoma, hernia de disco cervical, degeneración vertebral o tumores intraspinales2,3. La compresión de la médula espinal crónica puede conducir a varios grados de déficits funcionales; sin embargo, hay casos clínicos con la compresión de la médula espinal grave sin ningún síntoma neurológico y signos, así como los pacientes con leve compresión de la médula espinal pero graves déficits neurológicos4. En estas circunstancias, la imagen sensible es esencial para evaluar la gravedad de la compresión e identificar el rango de daño.
La resonancia magnética convencional desempeña un papel importante en la eluciación de la anatomía de la médula espinal. Esta técnica se utiliza generalmente para evaluar el grado de compresión debido a su sensibilidad a los tejidos blandos5. Muchos parámetros se pueden medir desde la resonancia magnética, como la intensidad de la señal MR, la morfología del cordón y el área del conducto vertebral. Sin embargo, la RMN tiene algunas limitaciones y sólo proporciona información cualitativa en lugar de resultados cuantitativos6. Los pacientes con compresión crónica de la médula espinal suelen tener cambios anormales en la señal de la resonancia magnética. Sin embargo, las discrepancias entre los síntomas clínicos y los cambios de intensidad de la RMN dificulta el diagnóstico de una afección funcional basada únicamente en las características7de la RMN. Estudios previos destacan esta controversia en términos del valor pronóstico de la hiperintensidad de la RM T2 en la columna vertebral cord8. Dos grupos informaron que la hiperintensidad T2 de la médula espinal es un parámetro de pronóstico deficiente después de la cirugía para la médula espinal crónica compression8, 9. En cambio, algunos autores no encontraron una asociación significativa entre los cambios de señal T2 y el pronóstico8,9. Chen et al. y Vedantam et al. dividimos las hiperintensidades de la RM T2 en dos categorías correspondientes a los diferentes resultados de pronóstico10,11. El tipo 1 mostró bordes débiles, difusos e indistintos, y esta categoría demostró cambios histológicos reversibles. Las imágenes de tipo 2 presentaban bordes intensos y bien definidos, que correspondían a daños patológicos irreversibles. Las técnicas convencionales de RMN T1/T2 no proporcionan información adecuada para identificar estas dos categorías y evaluar el pronóstico del paciente. Por el contrario, la DTI, una técnica de imagen más sofisticada, puede ayudar a obtener información de pronóstico más específica al detectar cuantitativamente cambios microestructurales en los tejidos a través de la difusión de moléculas de agua.
En los últimos años, el DTI ha cosechado cada vez más atención debido a su capacidad para describir la microarquitectura de la médula espinal. El DTI puede medir la dirección y magnitud de la difusión de la molécula de agua en los tejidos. Los parámetros de DTI pueden evaluar cuantitativamente el daño neural en pacientes con compresión crónica de la médula espinal. FA y el ADC son los parámetros más comúnmente aplicados durante la evaluación de la médula espinal. El valor FA revela el grado de anisotropía para orientar las fibras axonales circundantes y describir los límites anatómicos12,13. El valor del ADC proporciona información sobre las características del movimiento molecular en muchas direcciones en un espacio tridimensional y revela la media de diffusidades a lo largo de los tres ejes principales6,12. Los cambios en estos parámetros se asocian con alteraciones microestructurales que influyen en la difusión de la molécula de agua. Por lo tanto, los cirujanos pueden utilizar/medir parámetros de DTI para identificar la patología de la médula espinal. El presente estudio proporciona métodos y procesos de DTI que proporcionan información de pronóstico más detallada para tratar a pacientes con compresión crónica de la médula espinal.
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Protocol
El estudio fue aprobado por el Comité de ética médica local en Guangzhou First People's hospital en China. Se recibieron formularios de consentimiento fundamentado firmado de voluntarios sanos y participantes antes de la participación. Todos los estudios se realizaron de acuerdo con la declaración de la Asociación Médica Mundial de Helsinki.
1. la preparación del asunto
- Asegúrese de que cada participante cumpla con los siguientes criterios para la compresión crónica de la médula espinal: a) un historial de pérdida de la función neurológica significativa, b) un examen físico de mielopatía positiva, y c) evidencia de RMN de compresión del cordón cervical.
Nota: Los criterios de exclusión son una) incapacidad de proporcionar consentimiento por escrito y b) imposibilidad de obtener los parámetros DTI de los artefactos. Para los controles, los criterios de inclusión son a) no hay antecedentes de lesiones significativas en la espalda o el cuello, trastornos neurológicos, o cirugías de columna; b) no hay evidencia de resonancia magnética de la compresión del cordón cervical. - SK cada participante para completar y firmar un formulario de consentimiento que enumera las pautas de seguridad de RMN y el protocolo de imagen. Específicamente, los pacientes con compresión de la médula espinal crónica son examinados por RMN de forma preoperativa y 1 año postoperatorio.
- tapones de oídos proporcionar para cada participante. Colóquelo en una posición supina con una bobina de cabeza/cuello que encierra la región cervical, y un hito en el nivel del cartílago tiroideo. Asegúrese de que cada participante se encuentra en una posición cómoda que reduce eficazmente el movimiento.
2. parámetros de resonancia magnética estructural
Nota: Imágenes anatómicas con ponderación T1 (T1 W), imágenes con ponderación T2 (T2 W) y DTI adquiridas en un escáner MRI de 3 Tesla con una bobina de 16 canales.
- Utilice eco de gradiente de perturbación rápida (FPGR) para el escaneo de localización para obtener mapas de posición axial, sagital y coronal.
-
Posicionar la línea de posicionamiento sagital con los mapas de posición coronal para asegurar que la línea de base de posicionamiento es paralela al canal espinal (médula espinal); primero Localice el plano sagital T2 W, luego copie y pegue la línea de posicionamiento de la T1 W sagital en la línea de posicionamiento T2 W.
- Utilice los siguientes parámetros de imagen para la imagen sagital T1 W y T2 W: campo de visión (FOV) = 240 mm x 240 mm, tamaño de voxel = 1,0 mm x 0,8 mm x 3,0 mm, separación de rebanada = 0,3 mm, espesor de rebanada = 3 mm, número de excitación (NEX) = 2, dirección plegable = pies/cabeza (FH) , y tiempo de Eco (TE)/tiempo de repetición (TR) = 10/700 ms (T1 W) y 101/2500 MS (T2 W). Obtener nueve imágenes sagital cubriendo toda la médula espinal cervical.
- Coloque la línea de posicionamiento axial en la imagen sagital T2 W y cubra el disco intervertebral de C2/3 a C6/7, centrado en el diámetro anteroposterior del espacio intervertebral. Utilice los siguientes parámetros de imagen: FOV = 180 mm x 180 mm, tamaño de voxel = 0,7 mm x 0,6 mm x 3,0 mm, espesor de la rebanada = 3 mm, dirección de plegado = anterior/posterior (AP), NEX = 2 y TE/TR = 120/3000 ms.
-
Posicionar la línea de posicionamiento axial en la imagen sagital T2 W, centrado en el diámetro anteroposterior del espacio intervertebral, con 45 rebanadas que cubren la médula espinal cervical de C1 a C7.
- Obtenga DTI a través de la siguiente secuencia: eco-planar de eco de un solo disparo (SE-EPI) con 20 direcciones ortogonales. Direcciones de difusión no coplanares con valor b = 800 s/mm2.
- Utilice los siguientes parámetros de imagen: FOV = 230 mm x 230 mm, matriz de adquisición = 98 x 98, resolución reconstruida = 1,17 x 1,17, espesor de rebanada = 3 mm, dirección plegable = AP, NEX = 2, factor EPI = 98 y TE/TR = 74/8300 ms. proporcionar un curso de tiempo que resume los pasos en el protocolo MRI, como se muestra en la figura 1.
Nota: El curso de tiempo que resume la RMN y el protocolo DTI se muestra en la figura 1.
3. índices de postprocesamiento de imágenes y medición de datos
- Transmita automáticamente todas las imágenes escaneando al syngo MR B17. Cargue la imagen sagital y axial T2 W del espacio intervertebral en la interfaz de filmación y encuentre la porción más comprimida de la médula espinal cervical.
- En la interfaz de visualización 2:1, cargue la imagen FA y haga clic en la pestaña posición display: series . cuente y registre el nivel de compresión más alto desde la parte superior hasta la parte inferior del mapa de ubicación.
- Haga clic en la pestaña archivo para seleccionar la imagen tensor y, a continuación, utilice la barra de herramientas de aplicaciones en la parte superior izquierda de la pantalla para seleccionar neuro 3D (MR) para crear automáticamente mapas de colores ADC y FA.
- Gire al nivel del sitio de compresión más alto y cree regiones de interés (ROIs) esféricas de volúmenes idénticos (con un tamaño de 6 mm3) utilizando la pestaña modo de evaluación de inicio . Se deben seleccionar los ROIs, incluyendo la médula espinal interna para excluir los efectos de volumen parcial del líquido cefalorraquídeo (LCR).
- Calcule y visualice los valores FA y ADC en la parte inferior derecha de la pantalla automáticamente. Visualice los valores E1, E2 y E3 haciendo clic en la barra de herramientas difusión y seleccionándolos.
Nota: Todas las mediciones fueron realizadas por dos radiólogos cegados a los detalles clínicos de los pacientes. Los resultados finales se determinaron como el promedio de los dos. - Realice el procesamiento de imágenes de los datasets DTI utilizando una estación de trabajo syngo MR B17 Advantage, siguiendo los pasos de la figura 2.
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Representative Results
Este es un resumen de los resultados obtenidos de voluntarios sanos y pacientes con mielopatía espondilotica cervical. El protocolo permitió al médico ver los mapas de DTI. Esta tecnología podría servir como una medida objetiva para medir el estado funcional en condiciones mielopáticas. Los mapas de DTI de voluntarios sanos se muestran en la figura 3. Los parámetros de DTI de voluntarios sanos fueron los siguientes: FA = 0,661; ADC = 1,006 x 10-3 mm2/s; E1 = 1,893 x 10-3 mm2/s; E2 = 0,746 x 10-3 mm2/s; E3 = 0,377 x 10-3 mm2/s (figura 3). Los mapas de DTI de los pacientes con compresión de la médula espinal crónica se muestran en la figura 4 y tienen los siguientes parámetros: FA = 0,605; ADC = 1,522 x 10-3 mm2/s; E1 = 2,731 x 10-3 mm2/s; E2 = 1,058 x 10-3 mm2/s; E3 = 0,776 x 10-3 mm2/s (figura 4). También se realizaron imágenes postoperatorias. La figura 5 muestra mapas de DTI de pacientes con compresión crónica de la médula espinal que fueron sometidos a cirugía. Los parámetros DTI son los siguientes: FA = 0,616; ADC = 1,210 x 10-3 mm2/s; E1 = 2,190 x 10-3 mm2/s; E2 = 0,858 x 10-3 mm2/s; E3 = 0,582 x 10-3 mm2/s (figura 5).
Figura 1 : Curso de tiempo del Protocolo de RMN clínico. En primer lugar, se seleccionó la secuencia FSPGR para el escaneo de localización, y luego se realizó la rápida recuperación del eco de giro rápido para adquirir las imágenes sagital T2 W y T1 W y las imágenes axiales de T2 W. Finalmente, el DTI se realizó usando un solo disparo SE-EPI con 20 direcciones ortogonales. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Diagrama de flujo de los pasos implicados en el procesamiento de DTI. Diagrama de flujo que muestra cuatro pasos de postprocesamiento DTI con una estación de trabajo. En primer lugar, adquirir MRI convencional y DTI en la estación de trabajo. A continuación, busque el sitio de la compresión más alta basado en imágenes de RMN convencionales. Finalmente, realice el cálculo del tensor. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : RMN sagital y axial y DTI en un voluntario sano. (A) RMN sagital T1 w. (B) RM sagital T2 w. (C) RM axial T2 w. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : RMN sagital y axial y DTI en un paciente con compresión crónica de la médula espinal. (A) RMN sagital T1 w. (B) RM sagital T2 w. (C) RM axial T2 w. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 : RMN sagital y axial y DTI en un paciente con compresión crónica de la médula espinal después de la cirugía. (A) RMN sagital T1 w. (B) RM sagital T2 w. (C) RM axial T2 w. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
La resonancia magnética convencional se utiliza generalmente para evaluar el pronóstico de pacientes con diversas afecciones de la columna vertebral. Sin embargo, esta modalidad de imagen proporciona un detalle anatómico macroscópico en lugar de una evaluación de microestructura14, lo que limita la predicción de la función neurológica. Además, la resonancia magnética tradicional puede subestimar la gravedad y el alcance del daño de la médula espinal. La aparición de DTI puede ayudar a los cirujanos a evaluar la función de la médula espinal con mayor precisión proporcionando información cuantitativa sobre la difusión de moléculas de agua.
En el presente estudio, se describió un marco metodológico para demostrar la aplicación de parámetros de DTI en pacientes con compresión crónica de la médula espinal. El DTI es una técnica sensible para medir la magnitud de la dirección y difusión de las moléculas de agua en los tejidos15. Los cirujanos pueden evaluar cuantitativamente el daño neural en varias patologías de la médula espinal evaluando los parámetros del DTI. En este protocolo, dibujamos manualmente ROIs en rodajas axiales porque el software dedicado existente para la segmentación automática de CSF y mielina no es adecuado para la médula espinal. La pequeña área de la sección transversal de la médula espinal es una limitación importante para aplicar eficazmente la segmentación automática. Seleccionamos ROIs en el sitio de compresión más grave. Los ROIs deben incluir la médula espinal interna para eliminar los efectos parciales del volumen del LCR. Además, el procesamiento de DTI debe reducir los efectos de factores artihechos como artefactos de distorsión geométrica relacionados con EPI y artefactos de corriente parásita. Las opciones disponibles del paquete de software podrían ayudar a los operadores a obtener información útil en función de la orientación del gradiente de difusión-ponderación y la corrección de corriente parásita separada. La exploración por resonancia magnética convencional en el presente estudio aplicó una secuencia rápida de eco-spin para proporcionar más información de imagen. La cadena de eco más larga y el intervalo de eco más pequeño fueron diseñados específicamente para minimizar los artefactos creados por la instrumentación espinal. Seleccionamos un tiempo de eco corto, una banda de frecuencia de lectura amplia y pequeños vóxeles para reducir los artefactos. FA y ADC son parámetros DTI comúnmente utilizados en las mediciones de la médula espinal. La FA representa el grado de anisotropía en un rango de 0 a 1. Los valores de FA más cercanos a 1 indican anisotropía de tejido alto13. El ADC está relacionado con el valor medio de las diffusividades en los tres ejes principales, y su cambio es consistente con el proceso de lesión del tejido histopatológico6. El presente trabajo confirmó que la compresión de la médula espinal crónica podría dar lugar a una disminución de la FA y valores de ADC incrementados, como se informó anteriormente12. La compresión crónica de la médula espinal puede causar daño isquémico recurrente a la médula espinal y producir cambios histopatológicos en las fibras nerviosas descendentes, como angioedema, gliosis, pérdida de la función neuronal y eventualmente necrosis16. En la presente obra, estos cambios se visualizaron claramente en el DTI.
DTI puede servir como una herramienta para evaluar la mejora funcional y proporcionar información de pronóstico valiosa. Estudios previos mostraron que la FA preoperatoria alta podría estar relacionada con una mejor recuperación funcional neuronal después de la cirugía17. Kerkovsky y otros informaron que los pacientes con mielopatía espondilotica cervical sintomática tenían valores de ADC más altos y menores valores de FA comparados con aquellos que no tenían síntomas relevantes pero tenían evidencia radiológica de compresión de cordón18. En un estudio previo de un modelo de rata de compresión de la médula espinal crónica, los parámetros de DTI se asociaron con afecciones patológicas de la médula espinal. Es importante destacar que el DTI puede evaluar cuantitativamente el estado funcional de la médula espinal16. Un análisis de 66 pacientes con compresión de la médula espinal crónica también demostró que los parámetros DTI estaban relacionados con la tasa de recuperación de la Asociación ortopédica japonesa de pacientes con compresión de la médula espinal crónica, y ADC, diffusividad media, diffusividad radial, y los valores de diffusividad axial pueden reflejar la deficiencia neurológica y ser útiles para evaluar el pronóstico postoperatorio19. En comparación con la resonancia magnética convencional, el DTI es una herramienta cuantitativa útil para medir el potencial recuperador de la médula espinal.
Hubo algunas limitaciones en este estudio. En primer lugar, sigue siendo difícil lograr una resolución espacial adecuada. Los artefactos de movimiento, que surgen del movimiento respiratorio y cardíaco y de la pulsación del LCR, pueden producir efectos adversos en el DTI, especialmente en el cordón cervical inferior y el cordón torácico20. La cadena de eco más larga y el intervalo de eco más pequeño fueron diseñados específicamente para minimizar los artefactos creados por la instrumentación espinal. En este protocolo, seleccionamos un tiempo de eco corto, una banda de frecuencia de lectura amplia y pequeños vóxeles para reducir los artefactos. Además, era difícil distinguir entre materia blanca y gris en el DTI con un sistema de 3 Tesla MR21, lo que significaba que tanto la materia gris como la blanca podían incluirse en los Rois. Eso podría influir significativamente en las mediciones del parámetro DTI. La cuantificación basada en el ROI puede conducir a una identificación sesgada del tracto causada por la experiencia del usuario y el conocimiento anatómico. Este enfoque de delineación manual puede ser tedioso y consumir mucho tiempo, especialmente si hay varias rebanadas de médula espinal, tratados y sujetos. Se debe seleccionar ROIs en la médula espinal interna para excluir los efectos parciales del volumen debido al LCR. En futuros estudios se requieren métodos útiles para segmentar regiones de materia gris y blanca y discernir los ROIs disponibles y efectivos.
En Resumen, este marco metodológico demuestra la aplicación de los parámetros de DTI en la compresión de la médula espinal crónica. El DTI proporciona una medida de la dirección molecular del agua y la magnitud de la difusión en los tejidos. Los cirujanos pueden usar esta técnica sensible para evaluar cuantitativamente el daño neural en varias patologías de la médula espinal.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este estudio fue apoyado por el proyecto de ciencia y tecnología de Guangzhou de China (no. 201607010021) y la Fundación para la ciencia de la naturaleza de JiangXi (no. 20142BAB205065)
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Tesla MRI scanner | Siemens | 40708 | Software: NUMARIS/4 |
| Syngo MR B17 | Siemens | 40708 | Software: NUMARIS/4 |
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